Wechselwirkungsmechanismen aromatischer Adsorbate auf Edelmetallsubstraten
Final Report Abstract
Die Eigenschaften der Grenzflächen zwischen dünnen Schichten organischer Moleküle und Metallen spielen sowohl für Anwendungen wie organische elektronische Bauelemente (z.B. organische Leuchtdioden oder Solarzellen), als auch in der Grundlagenforschung eine große Rolle. Dieses Forschungsprojekt befasste sich mit den grundlegenden Eigenschaften solcher Systeme und trug dazu bei, die Wechselwirkungs‐ und Adsorptionsmechanismen der organischen Moleküle an der Metalloberfläche besser zu verstehen. Hierzu wurden Modellsysteme ausgewählt, die in höchster Reinheit, bestens kontrollierbar und reproduzierbar hergestellt werden können, nämlich Metall‐Phthalocyanine (Me‐Pc) und Perylene‐3,4,9,10‐tetracarboxylic dianhydride (PTCDA). Als Substrat wurden Edelme talloberflächen (Au, Ag und Cu) verwendet. Im zweiten Teil des Projektes wurden auch Mischsysteme, sogenannte heteromolekulare Hybridsysteme, untersucht. Angewandt wurden vor allem experimentelle Methoden wie hochaufgelöste Elektronenbeugung (SPA‐LEED), stehende Röntgenwellenfelder (NIXSW), Rastertunnelmikroskopie (STM) und (winkelaufgelöste) Photoelektronenspektroskopie (ARUPS und UPS), aber auch theoretische (Dichtefunktional‐) Rechnungen (DFT). Die Untersuchungen führen zu deutlich besserem Verständnis dieser Metall‐organischen Grenzflächen und zu einigen unerwarteten und überraschenden Entdeckungen. So wurde z.B. ein in dieser Form neuartiger Wechselwirkungsmechanismus zwischen CuPc Molekülen gefunden: Vermittelt durch den Ladungsaustausch einzelner Moleküle mit der Silberoberfläche kommt es zu einer repulsiven Kraft zwischen benachbarten CuPc Molekülen die, solange es aufgrund der Bedeckung möglich ist, langreichweitige Ordnung in der Adsorbatschicht verhindert. Erst wenn die Moleküle einander berühren, werden sie in eine einheitliche Struktur gezwungen. Dieses Verhalten ist ungewöhnlich, da man normalerweise für vergleichbare Systeme attraktive Kräfte und dadurch hervorgerufene nahezu instantane Inselbildung beobachtet hat. Auch hinsichtlich der heteromolekularen Hybridsysteme wurden überraschende Entdeckungen gemacht. Stapelt man CuPc und PTCDA in einer Bilagenstruktur übereinander, so beobachtet man z.B. einen unerwartet starken Einfluss der unteren Moleküllage auf die obere. Hier zwingt die PTCDA Lage (gemeinsam mit der darunterliegenden Ag‐Oberfläche) der CuPc Lage eine unnatürliche (d.h. im Falle der direkten Adsorption von CuPc auf Ag nicht beobachtete) Struktur auf. Die Wechselwirkung, die diese „Zwangsordnung“ hervorruft, wurde in dieser Stärke bislang für derartige Moleküle noch nicht beobachtet. Sie beruht auf Ladungstransfer aus dem Substrat in die PTCDA Lage, der durch die Adsorption der CuPc Schicht signifikant vergrößert wird. Auch wenn kein Ladungsaustausch zwischen dem Substrat und der zweiten Adsorbatlage feststellbar ist, bedeutet dies doch, dass die Adsorption der zweiten Lage direkten Einfluss auf die Chemisorption der ersten hat. Unsere Erkenntnisse ermöglichen ein besseres Verständnis von strukturellen, elektronischen und optischen Eigenschaften der Metall‐(hetero‐)organischen Grenzflächen. Sie tragen dadurch indirekt zur Verbesserung organischer elektronischer Bauteile bei.
Publications
- “Tuning intermolecular interaction in long‐range ordered submonolayer organic films”, Nature Physics 5, 153 (2009)
C. Stadler, S. Hansen, I. Kröger, C. Kumpf, E. Umbach
- „Submonolayer growth of copper‐phthalocyanine on Ag(111)“, New J. Phys. 12, 083038 (2010)
I. Kröger, B. Stadtmüller, C. Stadler, J. Ziroff, M. Kochler, A. Stahl, F. Pollinger, T.‐L. Lee, J. Zegenhagen, F. Reinert, C. Kumpf
- “Modelling intermolecular interactions of physisorbed organic molecules using pair potential calculations”, J. Chem. Phys. 135, 234703 (2011)
- “Normal incidence x‐ray standing wave study of copper‐phthalocyanine submonolayers on Cu(111) and Au(111)”, Phys. Rev. B 83, 195414 (2011)
I. Kröger, B. Stadtmüller, C. Kleimann, P. Rajput, C. Kumpf
- “Commensurate registry and chemisorptions at a hetero‐organic interface”, Phys. Rev. Lett. 108, 106103 (2012)
B. Stadtmüller, T. Sueyoshi, G. Kichin, I. Kröger, S. Soubatch, R. Temirov, F.S. Tautz, C. Kumpf
- “Orbital tomography for highly symmetric adsorbate systems”, EPL 100, 26008 (2012)
B. Stadtmüller, M. Willenbockel, E.M. Reinisch, T. Ules, F.C. Bocquet, S. Soubatch, P. Puschnig, G. Koller, M.G. Ramsey, F.S. Tautz, C. Kumpf
(See online at https://doi.org/10.1209/0295-5075/100/26008)
